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Case 光谱共聚焦

光谱共焦位移传感技术在精密测量中的创新应用与突破——基于无锡泓川科技LT-C系列的技术实践

日期: 2026-01-01
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光谱共焦位移传感技术在精密测量中的创新应用与突破——基于无锡泓川科技LT-C系列的技术实践

摘要

随着先进制造技术的发展,对微小尺寸、复杂曲面的测量精度要求日益严苛。光谱共焦位移传感技术凭借其非接触、高精度、高分辨率等优势,成为现代工业检测领域的关键技术之一。本文结合无锡泓川科技LT-C系列光谱共焦位移传感器的技术参数与实际应用案例,深入探讨光谱共焦测量的核心原理、关键技术挑战及解决方案。重点研究反射率变化对曲面测量精度的影响机制,通过引入S-G滤波与高斯拟合的反射率修正算法,显著提升柱透镜等复杂光学元件的面形测量精度。实验数据表明,采用无锡泓川LT-C系列传感器结合修正算法后,面形测量的平均绝对误差(MAE)从9.18μm降至0.71μm,均方根误差(RMSE)从9.79μm优化至0.75μm,验证了该技术在超精密检测领域的先进性与可靠性。

关键词:光谱共焦;位移传感器;反射率修正;面形测量;LT-C系列;无锡泓川

1. 引言:精密测量技术的现状与挑战

在半导体制造、光学元件加工、消费电子等高端制造领域,零部件的尺寸精度与表面质量直接决定产品性能。以智能手机曲面屏为例,其3D轮廓的微米级偏差可能导致显示异常或触控失灵;在光纤通信领域,柱透镜的面形误差会直接影响光束聚焦效率,进而降低信号传输质量。传统接触式测量方法(如三坐标测量机)存在测量效率低、易损伤工件表面等局限,而非接触式方法中的激光三角法受表面反射率影响显著,难以满足复杂曲面的高精度测量需求。

光谱共焦技术基于光的色散原理与共焦成像机制,通过波长编码实现绝对距离测量,具有纳米级分辨率、抗干扰能力强、适用材料广泛等特点。无锡泓川科技作为专注于光学测量与检测的技术企业,其自主研发的LT-C系列光谱共焦位移传感器已实现3nm静态噪声(LTC100型号)、±0.03μm线性误差(高精度型)等核心指标,在模具磨损测量、曲面屏扫描、压延玻璃测厚等场景中得到广泛应用。本文将从技术原理、误差分析、算法优化到工程实践,全面阐述光谱共焦技术在精密测量领域的创新应用。

2. 光谱共焦测量技术的核心原理与系统构成

2.1 色散共焦成像原理

光谱共焦技术的物理基础是色差效应共焦滤波的结合。如图1所示,白光光源发出的复色光经光纤耦合至色散物镜,不同波长的光在光轴上形成不同焦距的焦点(即“色谱焦点”)。当被测物体表面处于某一位置时,只有特定波长的光会被精确聚焦并反射回共焦小孔,经光谱仪分析后,通过波长-距离标定曲线即可换算出物体表面的轴向位移。

数学模型:设波长λ对应的聚焦距离为z,其关系可表示为:
z=f(λ)=a0+a1λ+a2λ2+...+anλn
其中,a0,a1,...,an为通过激光干涉仪标定得到的多项式系数。无锡泓川LT-C系列传感器采用纳米级高精度激光干涉仪进行标定验证(参数表中*5标注),确保波长-距离转换的线性误差<±0.03μm(LTC100型号)。

2.2 LT-C系列传感器的系统架构

无锡泓川LT-C系列传感器由光学探头信号处理单元测控软件三部分组成:

  • 光学探头:包含色散物镜、光纤耦合器及聚焦透镜,提供多种量程与出光模式。例如,LTCR1500型号为90°侧向出光版本(参数表中*6标注),可深入深孔、内壁等狭小空间测量;紧凑型LTC3000型号外径仅φ8mm,重量23g,适用于自动化产线的集成安装。

  • 信号处理单元:以LT-CCS控制器为例,支持单通道最高21kHz采样频率(四通道模式下12kHz),配备Ethernet/USB/EtherCAT等工业接口,可实时传输原始光谱数据与测量结果。

  • TSConfocalStudio测控软件:提供数据采集、曲线拟合、3D可视化等功能,支持C++/C#二次开发包,方便用户构建定制化测量系统。

2.3 关键性能指标解析

根据无锡泓川LT-C系列参数表,其核心性能指标如下:

  • 静态噪声:最小3nm(LTC100型号,1kHz采样率下10000组数据的均方根偏差),远低于激光三角法传感器(通常>50nm)。

  • 线性误差:高精度型<±0.03μm,大量程型(如LTC50000)仍可控制在±5μm以内,满足不同场景需求。

  • 测量范围:覆盖100nm至50000μm(LTC50000型号),最小可测厚度达量程的5%(如LTC100量程100μm时,最小测厚5μm)。

表1:无锡泓川LT-C系列典型型号性能对比

型号量程静态噪声线性误差外径×长度应用场景
LTC100100μm3nm±0.03μmφ40×125mm超精密平面度测量
LTC40004000μm100nm±0.8μmφ36×126mm曲面屏轮廓扫描
LTCR15001500μm80nm±0.3μmφ3.8×85mm深孔内壁尺寸检测

3. 反射率变化对曲面测量的误差机制分析

3.1 曲面反射率的空间分布特性

当测量对象为柱透镜、自由曲面等非平面结构时,入射光的入射角θ随表面斜率变化而改变,导致反射率R(θ)呈现空间分布差异。根据菲涅耳公式,垂直入射(θ=0°)时反射率:
R0=(n1n+1)2
(n为材料折射率),而斜入射时:
Rp(θ)=(ncosθcosθncosθ+cosθ)2
Rs(θ)=(cosθncosθcosθ+ncosθ)2
(θ'为折射角,满足n sinθ = sinθ')。

以平凸柱透镜(口径26mm,弧高1mm,柱面半径84mm)为例,其凸面各点的反射率仿真结果如图4(a)所示,反射率误差ΔR(相对于平面反射率)呈现中间低、边缘高的“V”形分布,最大误差达0.002%(图4(b))。

3.2 反射率误差引起的峰值漂移

光谱共焦系统通过检测反射光的峰值波长λ_p确定聚焦位置,但反射率变化会导致光谱曲线的非均匀衰减,进而引起λ_p漂移。定义反射率误差ΔR对应的波长偏移量为Δλ,则轴向位置误差:
Δz=kΔR
其中k为波长偏移系数(由传感器光学设计决定)。仿真数据显示(图5),当ΔR=0.002%时,无锡泓川LT-C系列传感器的轴向位置偏移可达12μm,远超高精度测量场景的误差容忍范围(通常<1μm)。

3.3 传统算法的局限性

传统峰值提取方法(如重心法、多项式拟合法)未考虑反射率空间变化,直接导致曲面测量结果失真。实验中对柱透镜进行直接测量(未修正),其理论位置与实测位置的偏差Δz最大达13.0μm(表2),且误差分布与反射率误差趋势一致,验证了反射率干扰的客观性。

4. 反射率修正算法:S-G滤波与高斯拟合的融合优化

4.1 光谱数据预处理:S-G滤波去噪

光谱信号在传输与探测过程中不可避免引入随机噪声,需通过滤波算法抑制。对比均值滤波、中值滤波、高斯滤波与S-G滤波四种方法的去噪性能(图6),结果表明:

  • 信噪比(SNR) :S-G滤波(窗口9)的SNR达48dB,高于高斯滤波(42dB)与中值滤波(39dB)。

  • 均方根误差(RMSE) :S-G滤波的RMSE为0.5nm,仅为均值滤波(2.3nm)的1/4。

无锡泓川LT-C系列传感器的TSConfocalStudio软件已内置S-G滤波模块,用户可通过二次开发包调用API接口,实现测量过程中的实时噪声抑制。

4.2 峰值波长提取:高斯拟合法

滤波后的光谱曲线仍存在谱峰展宽现象,需通过高精度峰值定位算法提取λ_p。对比五种常用方法(表1):

  • 峰值法:受噪声影响大,误差达0.4nm。

  • 重心法:对谱峰不对称敏感,误差0.2nm。

  • 高斯拟合法:通过非线性最小二乘拟合光谱曲线至高斯模型I(λ)=Aexp((λλp)22σ2)+B,误差仅0.1nm,为最优选择。

4.3 反射率修正模型构建

综合上述分析,反射率修正算法流程如下:

  1. 数据采集:使用LT-C系列传感器采集原始光谱数据I_raw(λ),同步记录被测点坐标(x,y)。

  2. 噪声抑制:采用窗口9的S-G滤波处理I_raw(λ),得到去噪信号I_filtered(λ)。

  3. 反射率补偿:根据曲面斜率计算各点反射率R(θ),对I_filtered(λ)进行归一化处理:Icompensated(λ)=Ifiltered(λ)/R(θ)

  4. 峰值提取:对I_compensated(λ)进行高斯拟合,得到修正后的峰值波长λ_p'。

  5. 位置解算:通过无锡泓川传感器的波长-距离标定曲线,将λ_p'转换为轴向位移z'。

5. 实验验证:LT-C系列传感器的测量性能评估

5.1 实验系统搭建

基于无锡泓川LT-C系列传感器构建实验平台(图7),核心配置如下:

  • 传感探头:LTC4000型号(量程4000μm,静态噪声100nm,线性误差±0.8μm),选择轴向出光模式。

  • 运动平台:纳米级精度气浮导轨(定位误差<50nm),带动柱透镜样品沿x轴移动(步长1mm)。

  • 标准参考:激光干涉仪(Agilent 5529A)作为位移基准,精度±0.1μm。

5.2 实验结果与分析

对平凸柱透镜(口径26mm,弧高1mm)进行面形测量,分别采用直接测量(未修正)与修正算法处理数据,结果如表2所示:

  • 直接测量:MAE=9.18μm,RMSE=9.79μm,误差曲线呈现“波浪形”波动,与反射率误差分布一致。

  • 修正测量:MAE=0.71μm,RMSE=0.75μm,90%以上数据点的误差<1μm,达到光学元件面形检测的AA级标准(JB/T 10586-2006)。

表2:柱透镜面形测量误差对比(部分数据)

理论位置z0/mm直接测量z/mm修正测量z'/mm修正前误差Δz/μm修正后误差Δz'/μm
0.72890.71590.727013.01.9
1.74011.73971.74000.40.1
1.64481.63671.64418.10.7

5.3 工业场景应用验证

在某曲面屏生产线上,采用无锡泓川LT-C7000L型号(大量程型,量程7000μm,线性误差±1.4μm)结合修正算法,对3D玻璃盖板的轮廓进行在线检测:

  • 测量效率:单通道10kHz采样率下,完成一个屏的全轮廓扫描仅需0.5s,满足产线节拍要求(>60片/分钟)。

  • 检测精度:轮廓度误差检测重复性(3σ)达0.3μm,优于客户要求(0.5μm)。

  • 材料适应性:对玻璃(高反射)、陶瓷(低反射)、塑料(漫反射)等材料均实现稳定测量,验证了算法的鲁棒性。

6. 无锡泓川LT-C系列的技术优势与行业价值

6.1 硬件性能的差异化竞争力

  • 多型号全覆盖:从3nm静态噪声的超精密型(LTC100)到50000μm量程的大量程型(LTC50000),从φ3.8mm侧向出光(LTCR1500)到2350g的重型探头(LTC2400),满足不同场景需求。

  • 高集成度控制器:LT-CCD控制器支持16通道同步采集(最大4kHz/通道),实现多探头并行测量,大幅提升检测效率。

  • 环境适应性:工作温度050℃,相对湿度2085%RH(无冷凝),可直接部署于工业现场。

6.2 软件生态与工程支持

无锡泓川提供从底层驱动到上层应用的全栈解决方案:

  • TSConfocalStudio:可视化参数配置、实时数据绘图、报告生成,支持离线分析与批量处理。

  • 二次开发支持:提供C++/C# SDK,包含完整的API文档与示例代码,降低用户系统集成难度。

  • 定制化服务:可根据客户需求开发专用探头(如深孔测量的LTCR系列)与算法模块(如反射率修正插件)。

6.3 典型行业应用案例

  • 模具磨损测量:采用LTC6000型号(量程6000μm,线性误差±1.2μm)监测冲压模具的磨损量,寿命预测准确率提升30%。

  • 涂布对射测厚:双探头对射模式(LTC2000+LTC2000)实现透明薄膜的非接触测厚,精度达±0.3μm,优于激光测厚仪(±1μm)。

  • 手机屏幕检测:LTC4000F型号(大角度型)实现曲面屏3D轮廓的100%在线检测,误判率<0.1%。

7. 结论与展望

光谱共焦技术作为超精密测量领域的关键手段,其测量精度的边界不断被突破。本文通过理论分析与实验验证,揭示了反射率变化对曲面测量的干扰机制,并提出基于S-G滤波与高斯拟合的修正算法。搭载无锡泓川LT-C系列光谱共焦位移传感器的实验系统,在柱透镜面形测量中实现了0.71μm的MAE与0.75μm的RMSE,充分证明了该技术方案的先进性。

未来,无锡泓川科技将持续推进三项技术升级:

  1. 深度学习融合:引入卷积神经网络(CNN)实现光谱特征的智能提取,进一步提升复杂曲面的实时修正速度。

  2. 多传感器融合:将光谱共焦与白光干涉技术结合,实现纳米级粗糙度与微米级轮廓的同步测量。

  3. 微型化与智能化:开发MEMS级微型探头(直径<5mm)与边缘计算控制器,满足半导体晶圆检测等极致场景需求。

无锡泓川LT-C系列光谱共焦位移传感器以其卓越的硬件性能与开放的算法生态,为高端制造领域的精密测量提供了可靠解决方案,助力中国制造业从“精度追赶”向“精度引领”跨越。


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    2025 - 01 - 29
    五、光谱共焦传感器测量厚度的局限性及解决措施5.1 局限性分析5.1.1 测量范围限制光谱共焦传感器的测量范围相对有限,一般在几毫米到几十毫米之间。这是由于其测量原理基于色散物镜对不同波长光的聚焦特性,测量范围主要取决于色散物镜的轴向色差范围以及光谱仪的工作波段。在实际应用中,对于一些大尺寸物体的厚度测量,如厚壁管材、大型板材等,可能需要多次测量拼接数据,增加了测量的复杂性和误差来源。例如,在测量厚度超过传感器量程的大型金属板材时,需要移动传感器进行多次测量,然后将测量数据进行拼接处理,但在拼接过程中可能会因测量位置的定位误差、测量角度的变化等因素导致测量结果的不准确。5.1.2 对被测物体表面状态的要求虽然光谱共焦传感器对多种材料具有良好的适用性,但被测物体表面的粗糙度、平整度等因素仍会对测量精度产生一定影响。当被测物体表面粗糙度较大时,表面的微观起伏会导致反射光的散射和漫反射增强,使得反射光的强度分布不均匀,从而影响光谱仪对反射光波长的准确检测,导致测量误差增大。对于表面平整度较差的物体,如存在明显翘曲或弯曲的板材,会使传感器与物体表面的距离在不同位置发生变化,超出传感器的测量精度范围,进而影响厚度测量的准确性。例如,在测量表面粗糙的橡胶板材时,由于橡胶表面的微观纹理和不规则性,测量精度会明显下降,难以达到对光滑表面测量时的高精度水平。5.1.3 成本相对较高光谱共焦传感器作为...
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    2023 - 02 - 26
    今天我为大家展示安全激光扫描仪产品,安全激光扫描仪适用于各种应用技术领域,      在设备开发期间我们给予了特别关注,以确保它能够在广泛应用中发挥最佳功能,尤其重视大型工作区域的防护,例如机床正面区域或机器人工作区域。      其他应用包括移动车辆的防护,例如侧向滑动装置或移动运输设备,无人驾驶运输系统。甚至垂直安装激光扫描仪的出入口保护系统。尽管我们在安全激光扫描与领域,已经有数10年的经验了,但该应用领域仍然面对许多挑战。不过我们的激光安全扫描仪具有独一无二的功能属性,例如具有8.25米检测距离和270度扫描范围。       属于目前市场上的高端设备,非常适合侧向滑动装置正面区域等大型区域或长距离的防护。该设备的另一个亮点就是能够同时监测两个保护功能。这在许多应用领域中,独具优势以前需要使用两个设备,如今只需要使用一台这样的安全激光扫描仪,即可完成两台设备的功能。               实践中遇到的一项挑战是设计一款异常强骨的激光安全扫描仪。能够适应周围环境中可能存在的灰尘和颗粒等恶劣条件,因此我们提供了较分辨率达到0.1度的设备。它在目前市场上具有非常高的价值。   ...
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蓝光光源激光位移传感器:优势、原理与特殊场景解决方案 —— 泓川科技 LTP 系列 405nm 定制... 2025 - 10 - 21 在工业精密测量中,传统红光激光位移传感器常受高反射、半透明、高温红热等特殊场景限制,而蓝光光源(405nm 波长)凭借独特物理特性实现突破。以下通过 “一问一答” 形式,详解蓝光传感器的优势、原理构造,并结合泓川科技 LTP 系列定制方案,看其如何解决特殊环境测量难题。1. 蓝光光源激光位移传感器相比传统红光,核心优势是什么?蓝光传感器的核心优势源于 405nm 波长的物理特性,相比传统 655nm 左右的红光,主要体现在三方面:更高横向分辨率:根据瑞利判据,光学分辨率与波长成反比。蓝光波长仅为红光的 62%(405nm/655nm≈0.62),相同光学系统下横向分辨率可提升约 38%,能形成更小光斑(如泓川 LTP025 蓝光版光斑最小达 Φ18μm),适配芯片针脚、晶圆等微米级结构测量。更强信号稳定性:蓝光单光子能量达 3.06eV,远高于红光的 2.05eV。在低反射率材料(如橡胶、有机涂层)表面,能激发出更强散射信号;同时穿透性更低,仅在材料表层作用,避免内部折射干扰,适合表面精准测量。更优抗干扰能力:蓝光波段与红热辐射(500nm 以上)、户外强光(可见光为主)重叠度低,搭配专用滤光片后,可有效隔绝高温物体自发光、阳光直射等干扰,这是红光难以实现的。2. 蓝光激光位移传感器的原理构造是怎样的?为何能实现高精度测量?蓝光传感器的高精度的核心是 “光学设计 + 信号处理 + ...
泓川科技国产系列光谱共焦/激光位移传感器/白光干涉测厚产品性能一览 2025 - 09 - 05 高精度测量传感器全系列:赋能精密制造,适配多元检测需求聚焦半导体、光学膜、机械加工等领域的精密检测核心痛点,我们推出全系列高性能测量传感器,覆盖 “测厚、对焦、位移” 三大核心应用场景,以 “高精准、高速度、高适配” 为设计核心,为您的工艺控制与质量检测提供可靠技术支撑。以下为各产品系列的详细介绍:1.LTS-IR 红外干涉测厚传感器:半导体材料测厚专属核心用途:专为硅、碳化硅、砷化镓等半导体材料设计,精准实现晶圆等器件的厚度测量。性能优点:精度卓越:±0.1μm 线性精度 + 2nm 重复精度,确保测量数据稳定可靠;量程适配:覆盖 10μm2mm 测厚范围,满足多数半导体材料检测需求;高效高速:40kHz 采样速度,快速捕捉厚度数据,适配在线检测节奏;灵活适配:宽范围工作距离设计,可灵活匹配不同规格的检测设备与场景。2. 分体式对焦传感器:半导体 / 面板缺陷检测的 “高速对焦助手”核心用途:针对半导体、面板领域的高精度缺陷检测场景,提供高速实时对焦支持,尤其适配显微对焦类检测设备。性能优点:对焦速度快:50kHz 高速对焦,同步匹配缺陷检测的实时性需求;对焦精度高:0.5μm 对焦精度,保障缺陷成像清晰、检测无偏差;设计灵活:分体式结构,可根据检测设备的安装空间与布局灵活调整,降低适配难度。3. LT-R 反射膜厚仪:极薄膜厚检测的 “精密管家”核心用途:专注于极薄膜...
多方面研究泓川科技LTP系列大量程全国产激光位移传感器 2025 - 09 - 02 泓川科技激光位移传感器产品技术报告尊敬的客户: 感谢您对泓川科技激光位移传感器产品的关注与信任。为帮助您全面了解我司产品,现将激光位移传感器相关技术信息从参数指标、设计原理、结构设计等八大核心维度进行详细说明,为您的选型、使用及维护提供专业参考。一、参数指标我司激光位移传感器涵盖 LTP400 系列与 LTP450 系列,各型号核心参数经纳米级高精度激光干涉仪标定验证,确保数据精准可靠,具体参数如下表所示:表 1:LTP400EA参数表参数类别具体参数LTP400EA备注基础测量参数测量中心距离400mm以量程中心位置计算(*1)量程200mm-重复精度(静态)3μm测量标准白色陶瓷样件,50kHz 无平均,取 65536 组数据均方根偏差(*2)线性度±0.03%F.S.(F.S.=200mm)采用纳米级激光干涉仪标定(*3)光源与光斑光源类型-激光功率可定制,部分型号提供 405nm 蓝光版本(*4)光束直径聚焦点光斑 Φ300μm中心位置直径,两端相对变大(*5)电气参数电源电压DC9-36V-功耗约 2.5W-短路保护反向连接保护、过电流保护-输出与通信模拟量输出(选配)电压:0-5V/010V/-1010V;电流:420mA探头可独立提供电压、电流与 RS485 输出(*6)通讯接口RS485 串口、TCP/IP 网口可选配模拟电压 / 电流输出模块(*7)响应...
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